- 頭條長沙理工大學科研人員提出10kV高壓開關柜安全性能的提升方法2022-10-27 作者：董盼、楊鑫 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語針對10kV高壓開關柜內部短路電弧引發的爆炸造成二次傷害的問題，長沙理工大學電氣與信息工程學院、中國電力科學研究院、國網北京市電力公司的研究人員董盼、楊鑫、賈鵬飛、雷佳成、劉瑤，在2022年第11期《電工技術學報》上撰文，從開關柜柜體和柜門安全裕度比較的角度出發，提出提高開關柜安全裕度的計算方法和設計建議。
隨著電力系統配電網的快速發展，穩定、可靠的電能供應成為配電網供電的不斷追求，10kV高壓開關柜以其運行可靠、操作方便等特點，在配電網中被廣泛使用。然而，由于操作不當或廠家制造工藝存在缺陷等問題易導致10kV開關柜發生內部短路電弧故障，引發爆炸事故。
為了減少短路電弧故障引發的爆炸事故造成的二次傷害，開關柜大都采用隔離艙室設計，每個獨立艙室均配有獨立的泄能通道。GB 3906—2006把10kV開關柜內部短路電弧燃弧試驗列為強制性試驗，以此檢驗開關柜的安全性能是否達標。
盡管10kV高壓開關柜已有配套的安全設計和測試標準，開關柜因爆炸引發的二次傷害事故仍時有發生。據統計，僅手車柜型式的開關柜，全國每年因短路電弧燒毀就多達200多面，多數造成了柜體破裂或柜門被沖開。可見，10kV開關柜內部短路電弧故障引發的爆炸事故仍不可忽視。
通過了安全測試的開關柜仍可能被短路電弧引發的爆炸沖擊波破壞，主要原因在于負荷電流可能超過額定值，導致短路電弧能量過大。為了提升10kV開關柜的安全性能，國內外學者對于因短路電弧引起的開關柜爆裂問題展開研究，對實際開關柜在短路燃弧沖擊載荷作用下柜體的強度進行分析，獲得柜體強度的校核方法與流程。
有學者提出了開關柜柜門強度校核方法，在獲得爆炸沖擊波造成的壓力升后，分析柜體鉚釘、鉸鏈、螺栓等是否符合安全設計要求。有學者通過對壓力作用后薄板的應力場分析，結合材料的臨界應力，提出了柜體耐受強度的數值計算方法。有學者通過對泄壓通道進行改進，提出了增加緩沖室、金屬網格吸收器、負壓室等措施對短路電弧沖擊過程中產生的高溫、高壓氣體升進行疏導和抑制，以提升開關柜在發生短路電弧沖擊過程中的安全性能。
綜合上述研究成果，目前，開關柜隔離艙室的安全性能，主要取決于柜體和柜門安全裕度值，因此，傳統開關柜安全性能提升方法主要采用“堵”的思路，即在現有柜門螺栓數上繼續增加螺栓使用數量以及柜門、柜體的厚度，以提升開關柜的安全性能。雖然可以起到增加安全裕度的效果，但缺乏針對性，并且邊際效應明顯，不利于開關柜向輕質化方向發展。
針對10kV高壓開關柜內部短路電弧引發的爆炸造成二次傷害的問題，長沙理工大學電氣與信息工程學院、中國電力科學研究院、國網北京市電力公司的研究人員董盼、楊鑫、賈鵬飛、雷佳成、劉瑤，在2022年第11期《電工技術學報》上撰文，從開關柜柜體和柜門安全裕度比較的角度出發，提出提高開關柜安全裕度的計算方法和設計建議。
圖1 內燃弧試驗現場照片
研究人員采用熱源等效和分艙建模的方式，利用多物理場耦合的有限元仿真，對開關柜在短路電弧沖擊作用下的安全裕度進行仿真計算。以KYN28—12型開關柜電纜室為例，得到電纜室柜體和柜門的安全裕度分別為51%和2%，指出提升開關柜安全裕度的關鍵在于提升電纜室柜門的安全裕度。
圖2 電纜室試驗前后照片
此外，他們提出在柜門內側壓強較大區域，覆蓋陶瓷化硅橡膠高分子復合耐火材料的方法來提升柜門的安全裕度。以KYN28—12型開關柜電纜室為例，得出在柜門所受壓強較大區域需覆蓋3mm厚的陶瓷化硅橡膠高分子復合耐火材料，可以使柜門的安全裕度達到70%，大于柜體51%的安全裕度，從而提升開關柜整體的安全性能。
圖3 陶瓷化硅橡膠高分子復合耐火材料
研究人員表示，與傳統提升方法相比，該方法更具針對性，可促進設備向輕質化發展，為10kV開關柜安全等級提升提供了新的解決思路與方法。
本文編自2022年第11期《電工技術學報》，論文標題為“10kV高壓開關柜安全性能的提升方法”。本課題得到了國家自然科學基金和廣東電網有限責任公司科技項目的支持。
